О.Ю. Шмидт начал разработку своей гипотезы о происхождении Солнечной системы в 1943 г. Гипотеза публиковалась в его работах с 1944 г. и лучше всего изложена в его брошюре «Четыре лекции о теории происхождения Земли» (3-е изд.-М.: Изд-во АН СССР, 1954 г.) .
Начав разработку трудной проблемы в период, когда в космогонии царил разброд, используемый в частности буржуазными философами для утверждения о непознаваемости мира, о единственности планетной системы во Вселенной, он отважно бросился в атаку в новой для него области, в обстановке «кастовой» враждебности со стороны большинства астрономов. Но часть их ему удалось увлечь за собой. Он организовал при Академии наук СССР Институт физики Земли и в нем группу по математической разработке его космогонической гипотезы, выросшую в творческий коллектив молодых ученых.
Шмидт выдвинул идею об аккумуляции планет из роя небольших холодных твердых тел и назвал свою гипотезу «метеоритной». Первоначально он предполагал, что эти тела в виде «метеоритного облака-роя» были захвачены Солнцем из межзвездной среды, что решало проблему mvr . Вместе с тем, встреча с таким облаком, которое при дальнейшем развитии гипотезы представлялось точнее как газопылевое, было весьма вероятным событием, поскольку Солнце на своем пути вокруг центра Галактики пересекает экваториальную область нашей звездной системы, где таких облаков весьма много.
Но в отличие от Эджворта, Шмидт сумел обосновать гипотезу захвата, впервые доказав возможность захвата в задаче трех тел, вопреки теореме Шази. Это было выдающимся самостоятельным вкладом в небесную механику. В самой космогонической концепции Шмидта и его школы идея захвата в дальнейшем не использовалась, так как расчеты показали, что масса захваченного облака будет слишком малой для образования планет. Шмидт объяснил различия в массе и химическом составе между группой близких к Солнцу планет (планет земной группы) и более далеких планет-гигантов тем, что они образовались из двух частей единого околосолнечного газопылевого облака: более близкой к Солнцу части, где облако прогрелось его лучами, и более далекой, холодной части. В отличие от прежних представлений об образовании планет из раскаленных газовых сгустков, Шмидт утверждал, что Земля и другие планеты сперва были сравнительно холодными, и использовал, таким образом, другую плодотворную идею - холодной аккреции.
По мнению Шмидта и его последователей, планетная система образовалась из огромного уплощенного газопылевого протопланетного облака, некогда окружавшего Солнце (вопрос о происхождении самого облака не рассматривался более). Земля и родственные ей планеты, от Меркурия до Марса, аккумулировались из твердых тел и частиц, а при аккумуляции планет-гигантов (по крайней мере Юпитера и Сатурна), содержащих в основном водород, участвовал, следовательно, наряду с твердыми телами, также и газ. Особенно детально была разработана Шмидтом теория дальнейшей эволюции Земли (на основе идеи В.И. Вернадского о радиоактивном разогреве ее недр). Выводы космогонической теории Шмидта хорошо согласовались с новыми данными геологии и геофизики о строении Земли. Гипотеза впервые объясняла и закон распределения планет в Солнечной системе (закон Тициуса - Воде).
Вместе с тем, в рамках теории Шмидта не удалось найти удовлетворительного ответа на старые вопросы: почему Солнце так медленно вращается вокруг своей оси; почему некоторые спутники и малые планеты движутся почти перпендикулярно к плоскости эклиптики.
Концепция О.Ю. Шмидта, как не профессионального астронома, многими астрономами, в особенности небесными механиками, была встречена вначале очень недоброжелательно. Некоторые ИЗ НИХ ДОХОДИЛИ до того, что, не входя в суть дела, утверждали, будто Шмидт лишь повторяет гипотезу Канта. Позднее, однако, гипотеза О.Ю. Шмидта широко популяризировалась в СССР. В ее разработке активно и долго участвовали Г.Ф. Хильми, Б.Ю. Левин, В.С. Сафронов, развивающий ее и сейчас, и некоторые другие. Но за рубежом о ней знали тогда мало, в основном из-за того, что изложение ее можно было найти преимущественно на русском языке. Сказалось и пренебрежительное отношение в капиталистических странах к науке в СССР. Но постепенно найденное О.Ю. Шмидтом плодотворное направление развития космогонии как решения комплексной широкой проблемы с учетом данных большого круга наук и с использованием ценных идей прошлого - т. е. исторического опыта космогонии - все это завоевало высокий авторитет и признание как руководство к действию среди космогонистов всего мира.
Теория, основы которой были заложены академиком О. Ю. Шмидтом, является наиболее разработанной. Поэтому мы ее и приводим.
О. Ю. Шмидт исходил сначала из того, что метеоритное вещество как в форме более или менее крупных кусков, так и в форме пыли в изобилии встречается во Вселенной. Еще недавно это метеоритное вещество было известно нам только в пределах Солнечной системы, но теперь мы обнаруживаем его в огромных количествах и в межзвездном пространстве. Большей частью метеоритное вещество собрано в колоссальные космические облака - в диффузные светлые и темные туманности, содержащие также много газа.
Впоследствии различные соображения привели советских ученых Л. Э. Гуревича и А. И. Лебединского к выводу, что допланетное вещество было газово-пылевого состава. О. Ю. Шмидт согласился с таким представлением о состоянии допланетного вещества, но подчеркивал, что «ведущая роль» принадлежала пыли.
Совокупность газово$пылевых облаков вместе со звездами заполняет нашу звездную систему - Галактику, причем их вещество сильно концентрируется к плоскости ее симметрии - к плоскости экватора Галактики. Вместе со звездами газово-пылевые облака участвуют во вращении Галактики вокруг оси. Наряду с этим вращением вокруг центра Галактики и звезды, и газово-пылевые облака имеют свои собственные движения, которые приводят к тому, что и звезды и облака то сближаются друг с другом, то расходятся. Иногда та или другая звезда погружается на время в газово-пылевую туманность и пролагает в ней себе дорогу, как путник, попавший в густой туман. Как туман путнику, так и газово-пылевое облако - не препятствие для движения звезды; сбиваться же ей с пути не приходится, так как ее путь в туманности направляется все тем же законом тяготения.
Многие пылинки упадут на звезду в течение ее скольжения сквозь туманность, а другие, изменив свои орбиты вследствие мощного притяжения звезды, могут быть ею захвачены в плен и сделаются ее спутниками. Однако, чтобы такой захват произошел, необходимо наличие особых благоприятных условий - уменьшение относительной скорости пылинок благодаря притяжению близкой звездой или, как показал Т. А. Агекян, благодаря столкновению пылинок друг с другом. В подобном «удачном» случае огромное множество этих «благоприобретенных» спутников звезды, эта ее бесчисленная верная свита, по гипотезе Шмидта, не покидает ее и после выхода из туманности. Звезда оказывается окруженной огромным облаком частиц газа и пыли, описывающих вокруг нее различные орбиты. Позднее О. Ю. Шмидт считал, что более вероятным, мог быть захват облака из той самой диффузной среды, из которой возникло само Солнце.
Облако, образовавшееся вокруг звезд, постепенно приобретало линзообразную форму. Обращение частичек в нем вокруг звезды происходило преимущественно, хотя и не исключительно, в одном каком-либо направлении (под небольшими углами друг к другу), потому что пылевой слой, пронизанный звездой, не мог быть совершенно однородным.
В подобной звезде, окруженной линзообразным газово-пылевым облаком, О. Ю. Шмидт видел наше Солнце, в пору, предшествовавшую образованию планет.
Конечно, не одно наше Солнце могло испытать такую встречу с газово-пылевой туманностью. Множество звезд, быть может большинство, должны были пережить такое же приключение, а другим оно еще предстоит в будущем. Тем лучше, значит, кроме нашей Солнечной системы, в Галактике должно быть еще множество планетных систем. Этот неизбежный вывод из новой теории дает ей преимущество по сравнению со многими другими космогоническими гипотезами, в которых возникновение солнечных систем было редким явлением.
В сонме пылинок, обращающихся около Солнца по пересекающимся и различно вытянутым и наклоненным орбитам, неизбежно происходили столкновения и это вело к тому, что движения их осреднялись, приближались к круговым и лежащим в близких друг к другу плоскостях. От этого вокруг Солнца возник из облака газово-пылевой диск, становившийся все тоньше, но зато плотнее. Этот плотный слой частиц в частях, близких к Солнцу, поглощал его тепло. Поэтому дальше от Солнца внутри диска было очень холодно, и газы там намерзали на пылинках. Это объясняет, почему далекие от Солнца планеты богаче газом, чем близкие к нему. Это представление, как и теорию эволюции облака, развили Л. Э. Гуревич и А. И. Лебединский, и О. Ю. Шмидт нашел, что их картина эволюции облака вероятнее чем та, которая ему самому рисовалась раньше. Разработанная математически картина эволюции облака, хотя и содержащая ряд дополнительных гипотез, может быть названа теорией, лежащей в рамках гипотезы Шмидта. Основной же гипотезой Шмидта является предположение, что планеты возникли из холодного облака частиц, причем основную роль в нем играло поведение твердых пылинок и предположение, что облако было захвачено Солнцем и притом, когда последнее уже вполне сформировалось.
Дальнейшая картина эволюции газово-пылевого диска вкратце представляется так. В уплотнившемся облаке возникали пылевые сгущения, в которых столкновения пылинок вели к их слиянию в твердые тела с поперечниками, как у современных астероидов. Множество их сталкивалось и дробилось, но более крупные из них, «зародыши» планет, - выживали и «всасывали» в себя окружающие осколки и остатки пыли, сначала присоединяя их при соударениях, а потом во все большей мере за счет притяжения их. Плотные зародыши планет окружались при этом роями тел и их обломков, обращающихся вокруг них и давших при своем объединении рождение спутникам планет по тому же «рецепту», по которому эти планеты возникли сами.
Из линзообразной формы туманности, окружающей Солнце, и из преобладания в ней движений, параллельных друг другу и направленных в одну и ту же сторону, вытекают сразу основные характерные особенности строения Солнечной системы: вращение всех планет около Солнца в одну и те же сторону, малые углы между плоскостями их орбит, а также почти круговая форма орбит.
О. Ю, Шмидт в одной из своих первых работ рассчитал, с какой скоростью происходил бы процесс увеличения массы планеты за счет падения на нее метеоритов, если бы наблюдаемые сейчас в Солнечной системе метеориты были остатками того роя, который некогда окружал Солнце. Оказалось, что вначале рост планеты происходил бурно, а потом все медленнее и медленнее. Грубо говоря, на постройку Земли пошли все те «кирпичи» - тела астероидных размеров и их обломки, которые заполняли пространство между границами, лежащими посредине между орбитами Земли и Венеры и между орбитами Марса и Земли, ближе к последней.
Невозможно, конечно, определить, «когда был заложен первый камень» - фундамент будущей планеты, но теория Шмидта позволила подсчитать, за сколько времени масса Земли увеличилась вдвое и достигла своего современного значения. Это время «полуобразования», ввиду упомянутой быстроты роста планет, близко к тому, что можно назвать возрастом Земли. Во всяком случае, этот промежуток времени немногим меньше возраста Земли.
Полагая, что сейчас на Землю ежегодно падает более 1000 тонн метеоритного вещества, О. Ю. Шмидт нашел для времени полуобразования Земли около 7 млрд. лет. Этот результат близок (в астрономических масштабах) к возрасту земной коры - 3 млрд. лет, определенному по радиоактивности горных пород. Ясно, что возраст земной коры должен быть меньше возраста Земли в целом.
Поскольку, однако, современные метеориты в Солнечной системе, возможно, являются осколками планеты, находившейся между Марсом и Юпитером, а не остатками метеоритной туманности, этот подсчет теоретического возраста Земли носит лишь ориентировочный характер.
О. Ю. Шмидт предполагал, что от ударов метеоритов в процессе быстрого роста Земли, а главное вследствие выделения тепла при радиоактивных процессах внутри слипающихся метеоритов их вещество разогревалось настолько, что становилось пластичным. Для этого было бы уже вполне достаточно температуры порядка 1000°. При размягчении метеоритного вещества более легкие каменные массы всплывали на поверхность, а тяжелые железистые массы постепенно опускались вниз. Так и создалось постепенно разделение массы Земли на плотное ядро и более легкую оболочку, причем до сих пор должна была бы сохраниться, и действительно еще сохранилась, промежуточная область, где тягучие железные и каменные массы не разделились вполне.
В настоящее время существует взгляд, что ядро Земли не железное, а силикатное, как и земная кора, но находящееся в сильно уплотненном металлоподобном состоянии под действием высокого давления вышележащих слоев. В слое, где давление составляет 1 400 000 атмосфер, эти свойства силикатных недр Земли возникают скачком. Если принять эту точку зрения, то надо думать, что подъем легких и опускание тяжелых веществ в толще Земли идет медленно и далеко еще не закончился.
Разогревание внутренних частей Земли еще продолжается и возникло в ее толще вследствие накопления тепла, выделяемого радиоактивным распадом внутри ее вещества.
Остатки метеоритного вещества, не вошедшего в состав планет, продолжали обращаться около Солнца и, проходя вблизи сформировавшихся планет, захватывались ими з плен. В образовавшемся вокруг планет сплюснутом метеоритном облаке шел процесс столкновения метеоритов, подобный тому, что создал планеты, и так вокруг них создались спутники. Естественно, что в общем более массивные планеты, производя больше захватов, могли обзавестись для компании большим числом спутников.
Поскольку большинство метеоритов, пошедших как кирпичи на постройку спутников, двигалось все в том же прямом направлении около Солнца и преимущественно вблизи плоскости эклиптики, то и орбиты спутников расположились вблизи этой плоскости. Направления их обращения оказались в согласии с теми движениями, которыми объединены все члены Солнечной системы. Только в редких случаях, когда в распределении скоростей или плотностей метеорного роя появлялась большая асимметрия, возникали планеты и спутники с обратным вращением (Уран с его спутниками, спутник Нептуна и далекие спутники Юпитера и Сатурна).
Вращение планет вокруг своей оси, которое ни одна из прежних теорий не могла удовлетворительно объяснить, теория О. Ю. Шмидта объясняет так. Под влиянием падения метеоритов на планету она должна прийти во вращение, и притом именно в том же направлении, в каком она вращается вокруг Солнца. Если случайно в той области, где образовалась планета, метеориты с орбитами, мало вытянутыми и мало наклоненными к средней плоскости Солнечной системы, не были в достаточной мере преобладающими, могло возникнуть вращение планеты в обратном направлении, что и объясняет известный случай такого рода - вращение Урана.
В успешном объяснении направления вращения планет теорией О. Ю. Шмидта состоит ее большая заслуга.
Остановимся немного на вопросе, который, может быть, и не будет так интересен для читателя, как предыдущие, но который имеет огромное значение. Речь идет все о том же знаменательном моменте количества движения, который теория Джинса не могла объяснить.
Мы помним, что в Солнечной системе львиная доля момента количества движения (т. е. суммы произведений масс частиц на их скорости и на расстояния от центра вращения) приходится на планеты. На Солнце с его медленным вращением вокруг оси приходится очень малая доля общего момента.
О. Ю. Шмидт показал путем вычислений, что Солнце, если оно вначале не вращалось или вращалось еле-еле, должно было прийти во вращение под действием ударов падающих на него метеоритов.
О. Ю. Шмидту удалось получить из своей теории формулу, которая утверждает, что произведение должно быть постоянным или почти постоянным для всех планет. В этом произведении m означает массу планеты, R - ее расстояние от Солнца, r - ее радиус и Р - период ее вращения вокруг оси. Так это оказывается и на самом деле. Наибольшее уклонение от этого закона обнаруживают Юпитер и Сатурн. Но по ряду соображений мы уже и раньше были склонны думать, что видимый радиус этих планет, подставленный в эту формулу, не есть действительный радиус их твердой поверхности - это радиус видимой границы их обширной и плотной атмосферы. Чтобы получить величину ω для Юпитера, близкой к тому, что получается для планет типа Земли и Марса (не внушающих подобных подозрений), надо допустить, что у Юпитера средняя плотность та же, что у Земли, и что тогда сам он лишь в 6,8 раз больше Земли (по диаметру). Почти половину его видимого радиуса составляет в этом случае толщина его обширной непрозрачной атмосферы. Но почти в точности к такому же соотношению размеров планеты и ее атмосферы приходил раньше и Джефрейс, хотя его соображения были совершенно иные.
m 2/3 √R P/r 2 =ω
Что касается Меркурия и Венеры, то их первоначальное вращение к настоящему времени заторможено действием приливов, ибо приливное действие Солнца на эти ближайшие к нему планеты весьма велико.
Подобным же образом, но в меньшей степени, Луна и Солнце своим приливным воздействием затормозили суточное вращение Земли. Раньше Земля вращалась быстрее.
Слипание вместе метеоритов, двигавшихся по продолговатым эллипсам с различно расположенными большими полуосями, приведет после слияния их к движению по орбите, более близкой к окружности. Чем больше метеоритов слипается, т. е. чем больше разнообразие направлений больших полуосей их орбит, тем ближе будет к окружности орбита планеты. Действительно, орбиты крупных планет, Юпитера и Сатурна, менее продолговаты, чем орбиты Меркурия и Марса.
Но как распределяются планеты по своим расстояниям от Солнца? Ответ на этот вопрос, найденный О. Ю. Шмидтом, получился неожиданно простым. Оказывается, момент количества движения, рассчитанный на единицу массы планеты, будет возрастать в арифметической прогрессии при переходе от одной планеты к следующей. Для тел, движущихся по круговым орбитам, момент количества движения (на единицу массы) пропорционален корню квадратному из радиуса орбиты. Следовательно, корни квадратные из расстояний планет от Солнца (√R) должны возрастать в арифметической прогрессии.
Этот закон прекрасно согласуется с действительным распределением расстояний планет от Солнца, если только мы будем рассматривать отдельно группу планет, далеких от Солнца (от Юпитера до Плутона), и группу планет, близких к Солнцу (от Меркурия до Марса). Мы уже говорили, что часть метеоритов, находившихся в районе планет второй группы, упала на Солнце, и потому, рассматривая их расстояния от Солнца, нельзя объединять их с планетами, далекими от Солнца. Для планет, близких к Солнцу, √R возрастает в среднем на 0,20 при переходе от одной планеты к следующей. Гшэтому, взяв за исходное значение √R его истинное значение для Меркурия, можно построить следующую табличку:
Первая строка показывает метод вычисления √R, вторая строка дает вычисленные значения расстояний планет, а последняя строка - истинные расстояния. Согласие получается очень хорошим.
Для планет, далеких от Солнца, среднее возрастание Y~R получается равным 1,00 и потому, беря за исходное значение √R его истинное значение для Юпитера, получаем:
Согласие вычисленных и истинных расстояний получается прекрасным. Таким образом, О. Ю. Шмидту как будто удалось объяснить закон планетных расстояний, не получивший никакого теоретического обоснования в прежних космогонических теориях. Некоторые другие космогонические теории последнего времени также объясняют это явление, но иными путями.
Здесь мы дали представление лишь об одной из множества космогонических гипотез. Единого взгляда на процесс возникновения планет и спутников пока нет.
Математик, геофизик, географ, астроном, путешественник, альпинист, исследователь Арктики и Памира, лектор, просветитель, организатор науки, реформатор школьной и вузовской системы, общественный и государственный деятель; профессор, заведующий кафедрой алгебры Московского университета; основатель и руководитель Геофизического отделения в МГУ; создатель и глава Московской научной школы по теории групп; руководитель секции естественных и точных наук в Коммунистической академии; академик, вице-президент, председатель географической группы АН СССР; директор Арктического института, создатель и директор Института теоретической геофизики АН СССР; начальник и организатор полярных экспедиций (Земля Франца-Иосифа, Северная Земля, Северный морской путь, пароход «Челюскин» – челюскинская эпопея, дрейфующая станция «Северный полюс-1» «СП-1»); начальник Главного управления Северного морского пути; заведующий Государственным издательством, главный редактор Большой советской энциклопедии и журнала «Природа»; член ЦИК СССР, коллегий наркоматов продовольствия, финансов, просвещения; депутат Верховного Совета СССР 1-го созыва; кавалер трех орденов Ленина, других орденов и медалей, Герой Советского Союза, Отто Юльевич Шмидт (1891–1956) является автором трудов по высшей алгебре (теории групп), геофизике Курской магнитной аномалии. Мировую славу Шмидту принесла его космогоническая концепция образования Солнечной системы в результате конденсации околосолнечного газово-пылевого облака.
В 14 лет Отто составил «план своей дальнейшей жизни. В нем было подробно описано, какие книги он должен прочесть, какими науками овладеть, какие проблемы решить, как развиваться физически. Но когда он подсчитал, сколько лет ему потребуется для выполнения программы, обнаружил – ему необходимо было 900 лет! Он «ужал» программу до 150 лет. Ученый к концу жизни выполнил ее, перекрыв норму почти в три раза» (М.Ф. Гильмуллин). Собственно, Шмидт и прожил не одну, а три жизни – ученого, путешественника и гражданина (в некрасовском смысле). В Шмидте-ученом нас интересует прежде всего его космогоническая концепция, которой Отто Юльевич посвятил последние 14 лет жизни.
О.Ю. Шмидт делает доклад о разделении двойных звезд
Начало интереса к процессу возникновения Земли и других планет у Шмидта относится к 1923 г., когда геофизик принимал участие в обработке данных инструментальных измерений Особой комиссии по изучению Курской магнитной аномалии. Тогда же ученый начал заниматься математической разработкой задачи трех гравитирующих тел, которая пригодилась ему через 20 лет в построении космогонической теории.
С 1943 г. Шмидт стал разрабатывать «метеоритную» теорию аккумуляции Земли из небольших тел, увязав ее с последними достижениями геофизики и геохимии. Образовав в руководимом им Институте теоретической геофизики АН СССР «Отдел эволюции Земли», Отто Юльевич привлек к решению этой проблемы его сотрудников.
Отказавшись от преобладавшей тогда в астрономии гипотезы гигантских газовых протопланет и положив в основу рассуждений идею первоначально холодной Земли, «слепившейся» из небольших твердых тел, а также догадку захвата Солнцем допланетного роя, ученый математически доказал принципиальную возможность этого захвата в системе трех тел и тем самым объяснил механизм образовании планеты. Эта гипотеза сняла математическое противоречие, которое до Шмидта не могла объяснить ни одна астрономическая теория, между скоплением основной массы Солнечной системы в ее центре и моментом количества движения, сосредоточенном в основном на ее периферии.
Концепции были посвящены «Четыре лекции о происхождении Земли», прочитанные автором в Геофизическом институте в 1948 г. и опубликованные в 1949 г., а затем переведенные на английский язык. Опередив своей работой западных исследователей как минимум на 10–15 лет, русский ученый дал в руки всем астрономам фактически завершенную и совершенную планетную космогонию, которую ныне признали во всем мире. После смерти Отто Юльевича теорию происхождения Земли и планет развивали коллеги и ученики Шмидта – Б.Ю. Левин, Г.Ф. Хильми, В.С. Сафронов и др.
Как признают сегодня ученые, в 1940-х гг. Шмидт нашел единственно возможный путь решения проблемы происхождения Земли и планет как комплексную астрономо-геолого-геофизическую проблему. (До этого времени проблема происхождения планет считалась чисто астрономической.)
Разбив задачу на три части (происхождение допланетного облака, вращавшегося вокруг Солнца; образование в этом облаке планетной системы; эволюция Земли и планет) и придав второй части статус центральной задачи, ученый постарался найти на них ответы в том объеме, который позволяла ему сделать тогдашняя астрофизика. Как отмечали специалисты, такое «решение О.Ю. Шмидта в значительной мере определялось его богатой интуицией».
Проанализировав все геофизические и геохимические данные, Шмидт заключил, что Земля (и другие планеты) не проходила через расплавленное «огненно-жидкое» состояние, а сформировалась из мелких тел, точнее, из пылевых сгущений (пылевого субдиска), которые, объединяясь в тысячекилометровые тела, падали на главный зародыш Земли, разогревая ее недра и образуя мантию и ядро.
Дав объяснение основных физико-механических закономерностей планетной системы, Шмидт вывел формулу для скорости роста планеты, вычерпывающей вещество, находящееся в ее зоне. Эта формула в дальнейшем стала одним из важнейших соотношений количественной теории роста планет.
Выдвинув идею создания моделей внутреннего строения планет для сравнительного анализа с Землей, Шмидт заложил основу созданной позднее сравнительной планетологии. В конце XX в. в Институте им. О.Ю. Шмидта была разработана модель образования Луны и спутников планет как процесс, сопровождающий аккумуляцию планет.
Дал Шмидт и объяснение происхождению астероидов и комет, предположив, что пояс астероидов представлял собой несформировавшуюся планету – это было подтверждено и соответствующими расчетами. Было показано, что основными источниками астероидов и облаков комет стали все планеты-гиганты Солнечной системы.
Ныне исследователи пришли к решению первой части шмидтовской концепции – выяснению происхождения допланетного облака. При этом рабочим инструментом в интерпретации космических наблюдений служит т. н. модель Шмидта – Сафронова.
Разносторонней деятельности Шмидта можно только удивляться. Он первым в отечественной науке исследовал закономерности эмиссионного процесса в финансовой сфере, первым из русских альпинистов покорил шеститысячник, организовал первые полярные экспедиции 1930-х гг., сам участвовал в них…
Когда в 1934 г. пароход «Челюскин» был затерт льдами и затонул, а экспедиция под командованием Шмидта в составе 104 человек (в их числе 10 женщин и двое маленьких детей) высадилась на лед, Отто Юльевич сплотил челюскинцев, организовал их быт, наладил научно-исследовательскую работу, не давал падать духом, пока всех их не вывезли на самолетах на Большую землю.
Эта эпопея прославила Шмидта и челюскинцев на весь мир. Б. Шоу, например, искренне изумился: «Что вы за страна!.. Полярную трагедию вы превратили в национальное торжество… На роль главного героя ледовой драмы нашли настоящего Деда Мороза с большой бородой… Уверяю вас, что борода Шмидта завоевала вам тысячи новых друзей!»
Для полярника не прошли бесследно арктические приключения; переболев и пневмонией, и туберкулезом, Отто Юльевич умер 7 сентября 1956 г. в возрасте 64 лет.
Первый настоящий подъем науки и первые космогонические системы материалистического направления появились в Греции как следствие активной борьбы классов, которая начала развертываться в различных греческих городах в VII-VI вв. до н. э. Вполне аналогичное явление в истории науки и философии можно наблюдать и в новое время. Таким образом, прежде, чем говорить непосредственно о науке, необходимо хотя бы кратко остановиться на основных экономических и политических чертах этой эпохи. Говоря языком марксизма, прежде чем переходить к идеологической надстройке общества(в том числе к идеологическому значению больших научных проблем), нужно сначала рассмотреть базис общества (уровень техники, экономические и социальные условия).
Борьба классов и наука в средние века
В течение всех средних веков шла борьба, иногда очень жестокая, между торговой буржуазией городов и феодальным дворянством, для которого земля и крепостные служили основными двумя источниками доходов (к которым очень часто добавлялись разбой и грабеж). В ходе этой борьбы, особенно сильной в наиболее развитых экономически странах, например, во Фландрии, в Тоскани, в различных морских центрах Италии, буржуазии удалось завоевать некоторые свободы. Ряд морских городов, например Генуя, Венеция, обогащенные крестовыми походами, достигли очень большого могущества. Они обладали колониями в средиземноморском бассейне, правда, более или менее ненадежными.
Но экономический подъем, постоянное обогащение торгового класса и даже необычайное развитие некоторых городов, поставленных в особо благоприятные условия, не разрушили, несмотря на все происходившие столкновения, ни основ феодального строя, ни его идеологического оружия - католической религии. Наука, которую духовенство захватило в свои руки и превратило в придаток теологии, чахла вследствие отсутствия контакта с действительностью и была во власти недостаточных и часто ошибочных теорий Аристотеля, "присвоенных" в целом (если не говорить о деталях) отцами церкви.
Наука могла развиваться только вне. рамок католической церкви или даже противостоя католицизму, как например в странах арабоязычной культуры. В период своих завоеваний арабы заложили основы алгебры. Попытки алхимиков добыть золото с помощью "дьявольской магии" сами собой приводили к экспериментальному изучению химических явлений.
Что касается проблемы происхождения мира, то она была "решена" в книге Бытия. Теория Аристотеля, согласно которой небесные тела существовали вечно, была, конечно, отброшена. Вместе с тем был принят, почти как догма, вывод Аристотеля о совершенстве небесных тел. Наконец, движения в солнечной системе объяснялись с помощью очень остроумной и очень сложной теории Птолемея, греческого астронома II в. н. э., согласно которой Земля была неподвижна и находилась в центре мира.
Только схоластические дискуссии теологов относительно целей, преследуемых богом при сотворении мира, или относительно различных толкований текста книги Бытия создавали тогда подобие официальной идеологической жизни, и в них в виде религиозных споров звучало сильно искаженное и ослабленное эхо классовой борьбы того времени.
Но все эти споры касались лишь определений и толкований отдельных слов, а дух науки никогда не мог коснуться ни одной даже самой маленькой проблемы. * Вместе с тем вся система объяснения мироздания, хотя она и была ошибочной, все-таки производила впечатление гораздо более связной и солидной, чем расплывчатые мифы древних, которые подвергались критике со стороны Фалеса и его учеников за двадцать веков до того. Чтобы разрушить и опрокинуть эту систему, понадобились мощные удары эпохи Возрождения.
* ( Новейшие исторические исследования показали, что и в ночь средневековья пытливая человеческая мысль полностью не прекратила свою творческую деятельность. Под теологической формой диспутов зачастую скрывалось глубокое философское содержание. В кельях монастырей велись работы по истории, географии, языкознанию и искусствоведению, по ботанике и медицине, зарождались первые зачатки математического анализа и математической логики. Господствовавший дух суеверия и изуверства не смог приостановить эти исследования, а лишь придал им уродливую форму. (Прим. ред.) )
Эпоха Возрождения
В XV в. произошел исключительный скачок в развитии торгового капитала. Одну из главных причин этого внезапного экономического подъема следует искать в соперничестве, существовавшем между различными морскими государствами: Венецией, Генуей, Португалией и Испанией. Вторжение турок, вследствие чего европейские страны потеряли рынки на восточном побережье Средиземного моря, значительно осложнило связи Европы с Индией, являвшейся источником выгодной торговли пряностями, и еще более усилило это соперничество. Португальцы предприняли систематическое обследование берегов Африки с целью поисков там пряностей и ценных металлов, а в 1492 г. генуэзец Христофор Колумб, служивший Испании, открыл Америку там, где он думал найти Индию. Тогда началось стремительное движение к новым землям, что позволило значительно обогатиться городам, которые в течение средних веков развивались медленно. Колонизация Америки и наплыв золота в Европу ускорили экономическое развитие, начавшееся в предыдущие века. Могущество буржуазии росло с исключительной быстротой. Возникли многочисленные мануфактурные производства; все более и более увеличивалось влияние банкиров. Одновременно с этим шло культурное развитие, чему прежде всего способствовало изобретение книгопечатания, позволившее отныне широким слоям населения быстро знакомиться с прогрессом человеческих знаний, а также иммиграция византийских ученых, изгнанных турками и сохранивших более богатые и более живые традиции древних греко-римских времен.
Феодальный строй с каждым днем становился все более анахроничным; препятствия, которые он ставил экономическому развитию общества, становились все менее и менее терпимыми. Этот конфликт распространился и на идеологическую почву. Многочисленные представители буржуазии эпохи Возрождения противопоставили католической морали обновленный "гуманизм" древних. Они не осмеливались еще создать свою собственную идеологическую систему и противопоставить религии материализм. Они подвергли критике взгляды некоторых греческих философов, ценимых схоластической школой, но делали это, опираясь на другие греческие или латинские "авторитеты". Например Коперник в подтверждение своей астрономической теории ссылается на древнегреческих философов пифагорейской школы. С христианством также боролись не единым фронтом. В некоторых странах его хотели "реформировать", якобы воскрешая его первоначальный дух. Это служило предлогом для долгих религиозных войн, являвшихся, правда, более политическими, чем религиозными, в ходе которых феодальный строй был значительно потрясен, но, однако, сумел ценой уступок отчасти удержать свои позиции.
Правда, в этот период мы встречаем очень смелых мыслителей, например, Кампанеллу или Джордано Бруно, придерживавшихся пантеизма, близкого к материализму. Но наиболее существенной стороной интеллектуальной жизни эпохи Возрождения следует считать появление рационализма. Осознав свои силы, буржуазия покидает религиозные воззрения предшествующих веков и занимает критическую позицию по отношению ко всему, включая и религиозные догмы. Она хочет, перед тем как поверить, сначала понять, и с этим изменением позиции буржуазии непосредственно связан прогресс науки.
Важнейшие научные открытия опрокидывают всю систему астрономии средних веков. Коперник выступил против теории Птолемея, утверждая, что Земля не является центром мира и, наоборот, сама должна обращаться вокруг Солнца, как и другие планеты. Несколько десятков лет спустя Галилей смог благодаря применению телескопа и наблюдениям неба получить подтверждения теории Коперника. Он открыл, что Юпитер имеет спутников, обращающихся вокруг него, как Луна обращается вокруг Земли. Он открыл фазы Венеры, остающиеся полностью необъяснимыми в теории Птолемея. Он установил, что Солнце не совершенно, поскольку на нем есть пятна. Сторонники Аристотеля тщетно пытались сразить Галилея, прибегая за помощью к инквизиции.
Как наблюдательная астрономия, использующая новые инструменты, так и теоретическая, основывающаяся на правильных научных принципах, переживают значительный подъем. Мы удовлетворимся лишь тем, что назовем имена Кеплера, современника Галилея, и Ньютона, жившего ста годами позднее. Снова на повестку дня выдвигаются проблемы космогонии. Мы увидим, что предлагаемые решения этой проблемы были более или менее материалистичны. Вместе с тем нужно отметить, что эти теории благодаря прогрессу науки объясняли все большее и большее число наблюдаемых фактов.
Космогонические идеи Декарта
Первым ученым нового времени, который действительно серьезно занялся проблемой происхождения миров, был Декарт (1596-1650). По правде сказать, Декарт, выдвигая свои космогонические идеи, гораздо больше рассуждал как философ, а не как отважный и осторожный человек науки, но его идеи, являясь промежуточным этапом, представляют значительный исторический интерес. Декарт допускал акт божественного творения: бог вначале создал из ничего некоторое количество материи и сообщил ей определенное количество движения. Эта материя, наполняющая все пространство, движется под влиянием первоначальных импульсов по замкнутым кривым, вследствие чего образуются вихри. В каждом вихре материя в процессе развития приобретает три конкретные формы: наиболее грубая материя (3-й элемент) образует планеты и кометы; более мелкие частицы, сглаженные вследствие взаимного трения, образуют жидкость и небеса, находящиеся в непрерывном вращении (2-й элемент); наконец, самые мелкие частицы (1-й элемент), получающиеся при разрушении более крупных частиц, остаются в центре вихрей, образуя звезды и Солнце. Первоначально существовал солнечный вихрь и вихри всех планет (которые были, следовательно, сначала звездами). Некоторые неправильности движения привели согласно Декарту к тому, что планетные вихри закрепились в солнечной системе.
Спутники произошли таким же образом из маленьких вихрей, захваченных планетными вихрями. Наконец, очень тяжелые кометы блуждали от одного вихря к другому.
Мы не будем останавливаться на очевидной ошибочности этих идей, которые с научной точки зрения представляют интерес только в отношении объяснения прямого вращения планет, преобладающего в солнечной системе, и в отношении систематического рассмотрения центробежных сил.
С философской точки зрения весьма интересно отметить материалистическую тенденцию идей Декарта. Заметим прежде всего, что они весьма далеки от книги Бытия. (Декарт понимал это столь хорошо, что позволил их опубликовать, лишь приняв меры исключительной предосторожности.) Но главное заключается в том, что если бог и появляется вначале, чтобы дать толчок созданной им материи, и, так сказать, пустить ее в ход, то впоследствии он уже остается совсем в стороне и предоставляет мир законам, которые он дал этому миру и которые делают мир похожим на хороню отрегулированную "машину". Если исключить первоначальное вмешательство бога, то все остальное в идее Декарта покоится на принципах механистического материализма, свойственного последующему веку. Конечно, Декарт, признавая согласованность законов природы, считал, что если вселенная продолжает следовать вполне определенным законам, то это происходит по доброй воле бога, который способен в любой момент их изменить (но который, разумеется, этого никогда не делал).
Космогонические идеи Декарта, а также и его философия - нечто подобное непоследовательному рационализму, представляют собой, следовательно, компромисс. Возникает вопрос, был ли этот компромисс продиктован лишь соображениями осторожности и не был ли Декарт на самом деле завуалированным материалистом? На этот вопрос можно ответить положительно. Определенно известно, что Декарт отказался опубликовать некоторые из своих работ в первоначальном виде после того, как узнал об осуждении Галилея. С другой стороны, высказывания Декарта о его верности католицизму и даже ряд его теологических работ, казалось, вызывались соображениями чистого оппортунизма. Вместе с тем из этого не следует, что можно ставить под сомнение искренность его веры в бога. По нашему мнению, существенные противоречия его взглядов объясняются скорее социальными и экономическими условиями эпохи, чем хитрой двойной игрой. Резко выраженные механистические тенденции, которые можно обнаружить в некоторых теориях Декарта, соответствуют в конечном итоге развитию первых мануфактур и энтузиазму буржуазии, предвидящей возможности, создаваемые этой технической революцией. Но политическая ситуация была в это время такова, что допускала известный компромисс между феодализмом и новыми классами. Действия Ришелье, побеждающего последних независимых дворян с помощью буржуазии и старающегося установить достаточно сильную центральную власть для того, чтобы регулировать социальные конфликты, способствовали тому, что даже самые отважные умы отходили от идеи насильственной революции. Поэтому идеологическая борьба не могла быть доведена до крайних выводов, и Декарт, материалист на практике, оставался идеалистом и даже теистом в теории. *
* (Следует, впрочем, заметить, что если идеи Декарта в целом ряде своих пунктов отражали тенденции наиболее прогрессивных элементов французской буржуазии, к которой принадлежала часть его семьи, то он сам был дворянином и никогда не забывал о своем аристократическом происхождении. )
Лишь веком позже французская буржуазия, развитие которой наталкивалось на остатки феодального строя и вырождавшуюся систему абсолютизма, станет настоящим революционным классом и тогда в космогонических гипотезах (например, в гипотезе Лапласа) появятся откровенные материалистические тенденции.
Изучением Солнечной системы занимались различные
ученые, начиная от греческих философов до астрономов и
физиков XXI столетия. Но и сегодня, когда научно-техничес-
кий прогресс позволяет запускать спутники на Марс, проис-
хождение Солнечной системы остается загадкой. Но вполне
возможно, что ученые в ближайшем будущем выяснят вопро-
сы, связанные с рождением Солнечной системы, потому что за
последние три десятилетия прояснились некоторые моменты
эволюции звезд. Хотя остаются нераскрытыми детали рожде-
ния звезды из газопылевой туманности, но уже представляет-
ся общая картина того, что с ней происходит на протяжении
миллиардов лет дальнейшей эволюции.
КОСМОГОНИЧЕСКИЕ ГИПОТЕЗЫ
Космогония - раздел астрономии, изучающий происхож-
дение и развитие небесных тел (Солнца, планет и их спутни-
ков, звезд, галактик) и их систем. Астрономы наблюдают кос-
мические тела на различных стадиях развития: образовавши-
еся совсем недавно или в далеком прошлом, быстро «старею-
щие» или почти застывшие в своем развитии. Сопоставляя
многочисленные данные наблюдений с физическими процес-
сами, которые могут происходить при различных условиях в
космическом пространстве, ученые пытаются объяснить, как и
из чего образуются небесные тела. Единой, завершенной тео-
рии образования звезд, планет или галактик до сих пор не
существует. Проблемы, с которыми столкнулись ученые, под-
час трудноразрешимы. Например, решение вопроса о проис-
хождении Земли и Солнечной системы в целом значительно
затрудняется тем, что других подобных систем ученые пока
не обнаружили. Нашу Солнечную систему пока не с чем срав-
нивать, хотя подобные ей системы должны быть достаточно
распространены, а их возникновение должно быть не случай-
ным явлением, а закономерным.
Сегодня все гипотезы о происхождении Солнечной сис-
темы в значительной мере основываются на данных о хими-
ческом составе и возрасте пород Земли и других тел Солнеч-
ной системы. Наиболее точный метод определения возраста
пород состоит в подсчете отношения количества радиоактив-
ного урана к количеству свинца, находящегося в данной по-
роде. Скорость такого образования известна точно, и ее не-
возможно изменить никакими способами. Пробы пород пока-
зали, что самые древние из них насчитывают несколько мил-
лиардов лет. Земля как некая субстанция, очевидно, возникла
несколько раньше, чем земная кора.
Если рассматривать различные космогонические гипоте-
зы, которые выдвигались на протяжении последних двух сто-
летий, то особого внимания заслуживают гипотезы немецкого
философа Канта и теория, которую спустя несколько десяти-
летий независимо предложил французский математик Лаплас.
Предпосылки к созданию этих теорий весьма интересны и вы-
держали испытание временем.
Точки зрения Канта и Лапласа в ряде важных вопросов
резко отличались. Кант предложил свою теорию образования
Солнечной системы, основанную на законе всемирного тяго-
тения. Философ исходил из эволюционного развития холод-
ной пылевой туманности, по ходу которого сначала возникло
центральное массивное тело, которому в перспективе пред-
стояло стать тем, что мы называем Солнцем, а потом планеты.
Лаплас же подробно описал гипотезу образования Солнца и
планет из уже вращающейся туманности. Он считал первона-
чальную туманность не пылевой, а газовой, очень горячей и
обладающей высокой скоростью вращения. Сжимаясь под
действием силы всемирного тяготения, туманность, вследствие
закона сохранения момента количества движения, набирала
обороты и вращалась все быстрее и быстрее. Из-за высокой
скорости и больших центробежных сил, возникающих при
быстром вращении в экваториальном полсе, от газообразного
ггла последовательно отделялись кольца Затем в результате
194 Астрономия
высокотемпературной конденсации в них тугоплавких «поро-
дообразующих» элементов, образовались планеты. Опираясь
на гипотезу Лапласа, невольно делается вывод, что планеты
образовались раньше, чем Солнце. Однако, несмотря на раз-
личия между теориями Канта и Лапласа, общей и важной осо-
бенностью является представление о том, что Солнечная сис-
тема возникла в результате закономерного развития газопы-
левой туманности. Поэтому эту концепцию принято называть
«гипотезой Канта-Лапласа».
Однако эта теория отвечает не на все вопросы. Всем из-
вестно, что наша Солнечная система состоит из девяти планет
разных размеров и массы. Всем также известно, что все субъя-
дерные частицы имеют свой момент вращения (спин). Лаплас
предположил, что вращательное движение - врожденное свой-
ство материи. Трудность заключается в необычном распреде-
лении момента количества движения Солнечной системы меж-
ду центральным телом - Солнцем - и планетами. Момент
количества движения - одна из важнейших характеристик
всякой изолированной от внешнего мира механической систе-
мы. Солнце и планеты можно рассматривать именно как такую
систему. Момент количества движения можно определить как
«запас вращения» системы. Это вращение складывается из
орбитального движения планет и вращения вокруг осей Сол-
нца и планет. Львиная доля момента количества движения
Солнечной системы сосредоточена в орбитальном движении
планет-гигантов Юпитера и Сатурна.
С точкн зрения гипотезы Лапласа, это совершенно непо-
нятно. В эпоху, когда от первоначальной, быстро вращающейся
туманности отделилось кольцо, слои туманности, из которых
потом в результате конденсации образовалось Солнце, имели (на
единицу массы) примерно такой же момент, как вещество отде-
лившегося кольца (угловые скорости кольца и оставшейся час-
ти были примерно одинаковы). Так как масса последнего была
значительно меньше основной туманности (протосолнца), то
полный момент количества движения у кольца должен быть на-
много меньше, чем у протосолнца. В гипотезе Лапласа отсут-
ствует какой-либо механизм передачи момента от протосолнца к
кольцу. Поэтому в течение всей дальнейшей эволюции момент
количества движения протосолнца, а затем и Солнца должен быть
намного больше, чем у колец и образовавшихся из них планет.
Но этот вывод идет вразрез с фактическим распределением ко-
личества движения между Солнцем и планетами.
Для гипотезы Лапласа эта трудность оказалась непрео-
долимой. На смену этой гипотезе стали выдвигаться другие.
Остановимся на гипотезе Джинса, которая получила распрос-
транение в первой трети прошлого столетия. Она полностью
противоположна гипотезе Канта-Лапласа. Если последняя
рисует образование планетарных систем как единственный за-
кономерный процесс эволюции от простого к сложному, то в
гипотезе Джинса образование таких систем является делом
случая и представляет собой редчайшее явление.
Исходная материя, из которой потом образовались пла-
неты, была выброшена из Солнца (которое к тому времени
уже было похожим на нынешнее) при случайном прохожде-
нии вблизи него некоей звезды. Это прохождение было на-
столько близким, что его можно рассматривать практически
как столкновение. Благодаря приливным силам, которые об-
разовались со стороны налетевшей на Солнце звезды, из по-
верхностных слоев Солнца была выброшена струя газа. Эта
струя осталась в сфере притяжения Солнца и после того, как
звезда ушла от Солнца. Потом струя сконденсировалась и
смогла дать начало планетам.
Гипотеза Джинса предполагает, что образование нашей
Солнечной системы, как и других подобных маловероятно,
потому что близкое прохождение звезд в напей Галактике
и их столкновение - явление редчайшее, а точнее, раз в 5
млрд лет Солнце имеет один шанс из десятков миллиардов
столкнуться с какой-либо звездой. Если бы гипотеза Джин-
са была правильной, число планетарных сисггм, образовав-
шихся за десять миллиардов лет ее эволющ-к, можно было
бы пересчитать по пальцам. Но планетарных систем на са-
мом деле множество, поэтому эту гипотезу можно считать
несостоятельной. И ниоткуда не следует, что выброшенная
из Солнца струя горячего газа может сконденсироваться в
планеты, так как по расчетам известных астрофизиков ве-
щество струи должно рассеяться в окружающем простран-
стве. Кроме этого, гипотеза Джинса не объя:ияет, почему
подавляющая часть количества момента движения Солнеч-
ной системы сосредоточена в орбитальном движении пла-
нет (математические расчеты показали, что;з рамках этой
гипотезы образуются планеты с весьма маленькими орбита-
ми). Таким образом, космологическая гипотез! Джинса ока-
залась несостоятельной.
На основе гипотезы Джинса была Вулфсоном выдвину-
та новая: газовая струя, из которой образовались планеты,
была выброшена из проходившего мимо Солнца рыхлого
объекта - протозвезды, масса которой бььта сравнительно
небольшой, но объем ее почти в 10 раз превысит радиус зем-
ной орбиты. По приближении протозвезды к Сслнцу под вли-
янием приливных сил поверхность протозвездного сгустка
должна деформироваться. Так как не весь захваченный Солн-
цем газ смог конденсироваться в планеты, вокруг протозвезд-
ного сгустка должна образоваться газовая среда, которая выз-
вала бы его торможение. При этом, как изВ(стно, первона-
чально эксцентричная орбита постепенно (в течение несколь-
ких миллионов лет) станет круговой. Отсюда, каждый прото-
звездный сгусток эволюционирует в протоплан гту, а его вра-
щение обуславливается действием приливных сил, исходящих
от Солнца. Кстати, этим может объясняться и происхождение
спутников планет, которые при сжатии отделяются от прото-
планет. Если следовать этой гипотезе, то сравнительно легко
объясняется образование больших планет и их спутников (кро-
ме планет земной группы). Этой гипотезой также объясняется
и возникновение звезд, которые образуются из межзвездной
газово-пылевой среды так называемыми «звездными ассоци-
ациями» - группами заведомо молодых звезд. В таких груп-
пах, по наблюдениям, сначала образуются относительно боль-
шие звезды, а затем уже «звездная мелочь», которая эволюци-
онирует в карлики.
В данный период наиболее разработанной является ги-
потеза советского ученого О. Ю. Шмидта, появившаяся в
1944 году. По Шмидту, наша планета образовалась из веще-
ства, захваченного из газово-пылевой туманности, через ко-
торую некогда проходило Солнце, имевшее почти «современ-
ный» вид. При этом отсутствует трудность с вращательным
моментом планет, так как первоначальный момент вещества
облака может быть сколь угодно большим. В 1961 году анг-
лийский космогонист Литтлтон начал развивать эту гипотезу
и внес в нее существенные улучшения. По обеим гипотезам,
«почти современное» Солнце сталкивается с более или менее
«рыхлым» космическим объектом, захватывая части его ве-
щества. Кроме того, Солнце, по расчетам, должно иметь с об-
лаком общее происхождение. По Шмидту-Литтлтону, обра-
зование планет связывается с процессом звездообразования.
